§2 Luchtdruk

Leerdoelen#

Na het bestuderen van deze paragraaf kun je:

• uitleggen waardoor lucht een druk uitoefent en hoe deze luchtdruk ontstaat;
• aangeven hoe je luchtdruk kunt meten en welke meetinstrumenten en eenheden daarbij gebruikt worden;
• beschrijven wat het verschil is tussen een hogedrukgebied en een lagedrukgebied, en wat dit betekent voor het weer;
• toelichten waarom de luchtdruk afneemt als je hoger in de atmosfeer komt, en hoe dit met een barometer gemeten kan worden;
• verklaren hoe gasdruk in een afgesloten ruimte ontstaat door bewegende moleculen;
• het onderscheid maken tussen absolute druk en overdruk, en berekeningen uitvoeren met beide begrippen;
• Je kunt beschrijven met welke instrumenten je de grootte van de gasdruk kunt meten.

Wat is luchtdruk?#

Lucht is een gas en een mengsel van verschillende soorten moleculen, zoals stikstof, zuurstof en water. In de gasfase bewegen deze moleculen voortdurend en met hoge snelheid door de ruimte. Volgens het deeltjesmodel botsen de moleculen steeds tegen de wanden van alles wat ze tegenkomen: een tafel, een ballon of je eigen huid. Elke botsing levert een kleine kracht op. Omdat er enorm veel botsingen per seconde plaatsvinden, ontstaat er een constante druk. Deze druk noem je luchtdruk.

De grootte van de luchtdruk hangt af van het aantal gasmoleculen in een volume en van hun snelheid (die afhangt van de temperatuur). Hoe meer moleculen en hoe sneller ze bewegen, hoe groter de druk wordt.

Op zeeniveau is de luchtdruk gemiddeld ongeveer 100 000 pascal (Pa). Dat betekent dat er in de lucht om ons heen heel veel moleculen aanwezig zijn die gezamenlijk een grote druk veroorzaken. Voor een gemiddeld menselijk lichaam met een oppervlak van circa 1,5 m² komt dit neer op een totale kracht van ongeveer 150 000 newton. Dat is vergelijkbaar met het gewicht van ongeveer 15 volwassen olifanten die op één persoon zouden drukken.

Toch merken we deze enorme kracht niet. Dat komt doordat de lucht in je lichaam dezelfde druk uitoefent naar buiten toe. Er is dus evenwicht. Alleen bij snelle veranderingen in de buitenlucht, bijvoorbeeld in een vliegtuig of een lift, voel je het verschil een beetje: je oren gaan dan dicht zitten totdat de druk weer gelijk is. Door te slikken of te gapen kun je dat evenwicht herstellen.

Oefening met simulatie#

Gebruik de simulatie hieronder om beter te begrijpen hoe luchtdruk aan de hand van het deeltjesmodel werkt.

Stappenplan#

1. Kies Intro in het menu van de simulatie.
2. Zet de thermometer op ℃ (graden Celsius).
3. Zet de drukmeter (pressure) op kPa in plaats van atm.
4. Kijk naar de drukmeter: die staat nu op 0 kPa.
5. Pomp luchtmoleculen in het vat. Dat doe je door de hendel van de pomp in te drukken en naar boven en vervolgens naar beneden te bewegen.
6. Let goed op de drukmeter: wanneer zie je dat de waarde verandert?

Vragen#

1. Wanneer begint de drukmeter omhoog te gaan?
2. Wat laat dit zien over wat luchtdruk eigenlijk is?
3. Op welke twee manieren kun je de druk in de simulatie groter maken?
4. Leg bij elke manier uit waarom de druk groter wordt.

Luchtdruk meten#

Je hebt speciale instrumenten nodig om de luchtdruk te meten. Het apparaat dat hiervoor wordt gebruikt heet een barometer.

De luchtdruk wordt vaak uitgedrukt in pascal (Pa), maar omdat het getal in pascal zo groot is, gebruikt men meestal hectopascal (hPa).

• 1 hPa = 100 Pa.
• De gemiddelde luchtdruk op zeeniveau is ongeveer 1000 hPa.

In weerberichten hoor je soms ook de eenheid bar:

• 1 bar = 100 000 Pa = 1000 hPa.

Oudere barometers gebruikten kwik (mm kwikdruk, mmHg). Tegenwoordig worden vaak digitale barometers toegepast, bijvoorbeeld in weerstations of zelfs in een smartphone.

De barometer wordt niet alleen gebruikt om de luchtdruk zelf te meten, maar ook om veranderingen in het weer aan te geven.

• Als de luchtdruk snel daalt, dan ontstaat er een lagedrukgebied. Dat gaat vaak samen met wolkenvorming, veel wind en neerslag.
• Als de luchtdruk stijgt, wijst dit op een hogedrukgebied. Daarbij is de kans groter op heldere lucht en geen neerslag.

Hogedrukgebieden en lagedrukgebieden#

Op weerkaarten zie je vaak de letters H (hoog) en L (laag). Deze geven hogedrukgebieden en lagedrukgebieden aan.

Lagedrukgebied#

In een lagedrukgebied is de luchtdruk lager dan in de omgeving. Lucht stroomt daarom vanuit een hogedrukgebied naar een lagedrukgebied en stijgt daar op. Tijdens het opstijgen koelt de lucht af, waardoor waterdamp condenseert tot kleine druppels. Zo ontstaan wolken. Worden de wolken groter en zwaarder, dan neemt de kans op neerslag toe. Over het algemeen geldt: als de luchtdruk lager is dan 1000 mbar, spreken we van een lagedrukgebied.

De kenmerken van een lagedrukgebied zijn: veel wind, bewolking en neerslag.

Hogedrukgebied#

In een hogedrukgebied is de luchtdruk hoger dan in de omgeving. Lucht daalt van grote hoogte en stroomt daarna naar een lagedrukgebied. Omdat de lucht daalt, wordt er geen waterdamp omhoog gebracht die kan condenseren. Er ontstaan daardoor geen wolken. Over het algemeen geldt: als de luchtdruk hoger is dan 1000 mbar, spreken we van een hogedrukgebied.

De kenmerken van een hogedrukgebied zijn: heldere lucht, weinig wind en geen neerslag.

Video: Hoge- en lagedrukgebieden#

Video 1: Clipphanger – Hoge- en lagedrukgebieden.

Vragen#

1. Leg aan de hand van de twee soorten drukgebieden uit hoe wind ontstaat.
2. Leg uit waarom wolken alleen ontstaan bij een laagdrukgebied.

Simulatie: Hoge- en lagedrukgebieden#

De drie simulaties die je hieronder ziet, laten een groot deel van Europa zien. Het gaat steeds om een live weergave: je kijkt dus naar actuele beelden van het weer zoals dat nu echt

Wind#

In de simulatie zie je bewegende strepen die langzaam vervagen. Deze strepen stellen de wind voor:

• De richting waarin de strepen bewegen, laat zien waar de wind naartoe waait.
• De snelheid van de beweging geeft aan hoe hard de wind waait.

De strepen bewegen in de simulatie sneller dan de wind in het echt. Dat is expres gedaan, zodat je goed kunt zien waar de wind harder of juist minder hard waait.

Simulatie: Wind (bron: earth.nullschool.net).

Vragen#

1. Leg aan de hand van de twee soorten drukgebieden uit hoe wind ontstaat.

Luchtdruk#

In de simulatie zie je de luchtdruk boven Europa.

Simulatie: Luchtdruk (bron: earth.nullschool.net).

Vragen#

1. Leg uit hoe je kunt zien waar een laag- en een hoogdrukgebied zich bevind aan de hand van de windrichting.

Bewolking#

In de simulatie zie je de bewolking boven Europa.

• Wit geeft aan waar het bewolkt is.
• Donkere gebieden laten zien waar het helder is.

Simulatie: Bewolking (bron: earth.nullschool.net).

Vragen#

1. Leg uit waarom wolken alleen ontstaan bij een laagdrukgebied.

Isobaren#

Op een weerkaart zie je vaak lijnen die gebieden met gelijke luchtdruk verbinden. Zulke lijnen heten isobaren. Ze maken duidelijk waar hogedruk- en lagedrukgebieden liggen.

Hoe dichter de isobaren bij elkaar liggen, hoe sterker de wind in dat gebied waait. Lopen de lijnen ver uit elkaar, dan is de wind meestal zwak.

Figuur: Isobaren met hoge- en lagedrukgebieden.

Simulatie: Hoge- en lagedrukgebieden; vrije interactieve kaart#

Simulatie: Vrije interactieve kaart (bron: earth.nullschool.net).

Luchtdruk en hoogte#

Hoe hoger je in de atmosfeer komt, hoe minder moleculen in de lucht zijn. Dat betekent dat de luchtdruk ook lager is. De luchtdruk neemt dus af met de hoogte.

Op zeeniveau is de gemiddelde luchtdruk ongeveer 1000 hPa. Op een berg van 5 km hoogte is de luchtdruk al gehalveerd. Dit ervaar je bijvoorbeeld wanneer je op wintersport bent of in een vliegtuig zit: de luchtdruk is daar veel lager dan op de grond.

Omdat de luchtdruk verandert met de hoogte, kan een barometer ook worden gebruikt als hoogtemeter. Hoe lager de druk die wordt gemeten, hoe hoger je je bevindt. Dit principe wordt bijvoorbeeld toegepast bij vliegtuigen en bij bergbeklimmers.

Correctie naar zeeniveau#

Wanneer meteorologen het hebben over hoge- en lagedrukgebieden, gaat het altijd om de luchtdruk aan het aardoppervlak omgerekend naar zeeniveau. Dit is nodig omdat de luchtdruk vanzelf lager wordt als je hoger in de bergen komt.

Een weerstation in Oostenrijk (bijvoorbeeld op 600 meter hoogte) zou zonder correctie altijd een veel lagere druk meten dan een station in Nederland aan zee. Die lagere waarde zegt dan niets over het weer, maar alleen over de hoogte. Om dit eerlijk te kunnen vergelijken, rekenen meteorologen alle meetwaarden terug naar zeeniveau.

Zo ontstaat een kaart waarop duidelijk te zien is waar hogedrukgebieden en lagedrukgebieden liggen, ongeacht of je in de bergen woont of aan zee. Alleen met die correctie kun je wereldwijd betrouwbare weerkaarten maken.

Gasdruk in een afgesloten ruimte#

Niet alleen de lucht buiten ons lichaam oefent druk uit, ook gassen die opgesloten zitten in een ruimte veroorzaken druk. Volgens het deeltjesmodel bewegen gasmoleculen voortdurend en botsen ze tegen de wanden van hun omgeving. Elke botsing levert een kleine kracht op. Al die botsingen samen veroorzaken de gasdruk.

Een opgeblazen ballon wordt groter omdat je er lucht in blaast. Je voegt dus meer moleculen toe. Hoe meer moleculen, des te meer moleculen tegen de ballonwand botsen en hoe groter de druk wordt.

Bij een hete luchtballon werkt het anders. Daar voeg je geen extra lucht toe, maar verwarm je de lucht die in de ballon zit. De moleculen gaan sneller bewegen en botsen daardoor harder tegen de wand. Ook dit zorgt voor een hogere druk.

De druk in een afgesloten ruimte hangt af van:

• het aantal moleculen in het volume (meer moleculen → meer botsingen → hogere druk);
• de temperatuur (hogere temperatuur → moleculen bewegen sneller → hogere druk).

Dit verklaart ook alledaagse verschijnselen:

• een fietsband voelt harder aan op een warme zomerdag dan op een koude winterdag;
• een deodorantbus kan gevaarlijk worden bij hoge temperatuur, omdat de druk in de bus dan sterk stijgt.

Absolute druk en overdruk#

Wanneer je de druk in een gas meet, kun je dat op twee manieren doen: als absolute druk of als overdruk.

• Absolute druk is de totale druk, inclusief de luchtdruk die altijd aanwezig is.
• Overdruk is de extra druk bovenop de luchtdruk.

Een voorbeeld is een fietsband:

• Stel dat de luchtdruk 1000 hPa is en de meter van je fietspomp geeft 300 hPa aan. Die 300 hPa is de overdruk.
• De absolute druk in de band is dan 1000 + 300 = 1300 hPa.

Een manometer meet meestal de overdruk. Dat is handig, omdat je bij praktische toepassingen (banden, duikflessen, spuitbussen) vooral wilt weten hoeveel druk er extra aanwezig is ten opzichte van de buitenlucht.

Het verschil is dus:

• Absolute druk = luchtdruk + overdruk
• Overdruk = absolute druk – luchtdruk

Eenheden en omrekenen#

Druk kun je in verschillende eenheden uitdrukken. In de natuurkunde wordt meestal de pascal (Pa) gebruikt.

• 1 Pa = 1 newton per vierkante meter (N/m²). Omdat dit een heel kleine eenheid is, gebruikt men in de meteorologie vaak hectopascal (hPa):
• 1 hPa = 100 Pa. De gemiddelde luchtdruk op zeeniveau is ongeveer 1000 hPa.

Andere eenheden die je kunt tegenkomen zijn:

• bar: 1 bar = 100 000 Pa = 1000 hPa
• millibar (mbar): 1 mbar = 1 hPa
• atmosfeer (atm): 1 atm ≈ 1013 hPa
• millimeter kwikdruk (mmHg): 760 mmHg ≈ 1013 hPa

Voorbeeld omrekening#

Een autoband heeft een overdruk van 2,5 bar. De absolute druk in de band is dan:

Voorbeeldopdrachten#

Omrekenen van eenheden

De luchtdruk is 1013 hPa. Bereken deze druk in:

1. bar
2. Pa

Fietsband: absolute druk

Een fietspomp geeft 3,5 bar aan. Dit is de overdruk. Bereken de absolute druk in de band. Neem de luchtdruk als 1,0 bar.

Gasdruk meten#

Om de grootte van de druk te bepalen heb je meetinstrumenten nodig. Daarbij wordt een onderscheid gemaakt tussen de luchtdruk en de gasdruk in een afgesloten ruimte.

Barometer#

Een barometer meet de luchtdruk. Een veelgebruikte variant is de metaalbarometer. In dit instrument zit een dun metalen doosje dat vervormt wanneer de luchtdruk verandert. Die vervorming wordt via een mechanisme doorgegeven aan een wijzer, zodat de verandering zichtbaar wordt.

De luchtdruk wordt meestal weergegeven in hectopascal (hPa) of in millibar (mbar). 1 hPa = 1 mbar = 100 Pa.

Werking van een metaalbarometer.

Manometer#

Een manometer meet de gasdruk in een afgesloten ruimte. Dit is meestal de overdruk ten opzichte van de buitenlucht. Voorbeelden:

• de druk in een fietsband;
• de druk in een gasfles;
• de druk in een spuitbus.

De absolute druk bereken je door de luchtdruk en de overdruk bij elkaar op te tellen:

Een manometer geeft de overdruk meestal aan in bar.

Voorbeeld: een manometer geeft 3,5 bar aan. Bij een luchtdruk van 1,0 bar is de absolute druk in de band dus 4,5 bar.